以太网基础知识
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- 本文档从硬件角度介绍了以太网的基础知识，包括以太网的基础知识、硬件接口、硬件连接示意、MAC 和 PHY 模块、MII/RMII/GMII/RGMII 接口等。
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| 以太网概述 |v1.0.0| DuRuofu | 2024-01-06 | 首次建立 |
以太网基础知识
一、基础
1.1 介绍
以太网(Ethernet)是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网中采用的电 缆类型和信号处理方法。以太网凭借其成本低、通信速率高、抗干扰性强等优点被广泛应用在网络远程监 控、交换机、工业自动化等对通信速率要求较高的场合。
以太网是一种产生较早，使用相当广泛的局域网。其最初是由 Xerox（施乐）公司创建并由 Xerox、 Intel 和 DEC 公司联合开发的基带局域网规范，后来被电气与电子工程师协会（IEEE）所采纳作为 802.3 的 标准。
以太网的分类有标准以太网（10Mbit/s）、 快速以太网(100Mbit/s)和千兆以太网（1000Mbit/s）。
随着以 太网技术的飞速发展，市场上也出现了万兆以太网（10Gbit/s），它扩展了 IEEE802.3 协议和 MAC 规范， 使其技术支持 10Gbit/s 的传输速率。在实际应用中，千兆以太网理论上最高通信速率为 1000Mbit/s，可以 胜任大部分的使用场景。
1.2 硬件接口
RJ45 接口俗称“水晶头”，专业术语为 RJ45 连接器，由插头（接头、水晶头）和插座（母座）组成， 属于双绞线以太网接口类型。RJ45 插头只能沿固定方向插入，设有一个塑料弹片与 RJ45 插槽卡住以防止 脱落。
以太网通信离不开连接端口的支持，网络数据连接的端口就是以太网接口。以太网接口类型有 RJ45 接口、RJ11 接口（电话线接口）、SC 光纤接口等。其中 RJ45 接口是我们现在最常见的网络设备接口 （如：电脑网口），我们开发板使用的就是这种接口。 RJ45 接口俗称“水晶头”，专业术语为 RJ45 连接器，由插头（接头、水晶头）和插座（母座）组成， 属于双绞线以太网接口类型。RJ45 插头只能沿固定方向插入，设有一个塑料弹片与 RJ45 插槽卡住以防止 脱落。
RJ45 接口样式如图 所示：
RJ45 接口定义以及各引脚功能在不同通信速率下的定义有区别，图 52.1.2 是在 10M/100M 通信速率下 的定义，由下图可知，RJ45 插座只使用了 1、2、3、6 这四根线，其中 1、2 这组负责传输数据（TX+、 TX-），而 3、6 这组负责接收数据（RX+、RX-），另外四根线是备用的。
而在 1000M 的通信速率下，RJ45 插座的 8 根线都有用到，且都是双向引脚。需要说明的是，支持千 兆网通信的 RJ45 接口是向下兼容的，即也支持 10M/100M 通信速率，只不过不同的通信速率，其引脚功 能有区别。千兆网各引脚功能如下图所示：
从硬件的角度来说，以太网接口电路主要由 MAC（Media Access Control）控制器和物理层接口 PHY （Physical Layer，PHY）两大部分构成。MAC 指媒体访问控制子层协议，它和 PHY 接口既可以整合到单 颗芯片内，也可以独立分开，一般MAC 控制器由 FPGA 实现，PHY 芯片指开发板板载的 以太网芯片。
总结： 物理层芯片称为PHY、数据链路层芯片称为MAC。
PHY 在发送数据的时候，接收 MAC 发过来的数据（对 PHY 来说，没有帧的概念，都是数据而不管什 么地址，数据还是 CRC），把并行数据转化为串行流数据，按照物理层的编码规则把数据编码转换为模拟 信号发送出去，接收数据时的流程反之。PHY 还提供了和对端设备连接的重要功能，并通过 LED 灯显示 出自己目前的连接状态和工作状态。当我们给网卡接入网线的时候，PHY 芯片不断发出脉冲信号来检测对 端是否有设备，它们通过标准的“语言”交流，互相协商并确定连接速度、双工模式、是否采用流控等。 通常情况下，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为 Auto Negotiation，即自协商。
1.3 硬件连接示意
从硬件角度来看以太网是由CPU，MAC，PHY三部分组成的，如下图示意：
将MAC集成进CPU（FPGA）而将PHY留在片外，这种结构是最常见的：
详细一点就是下面的样子：
1.4 MAC 和 PHY 模块
MAC
MAC(Media Access Control) 即媒体访问控制层协议。MAC由硬件控制器及MAC通信协议构成。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。MAC硬件框图如下图所示：
在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层。该层协议是以太网MAC由IEEE-802. 3以太网标准定义。一般以太网MAC芯片的一端连接PCI总线，另一端连接PHY芯片上通过MII接口连接。
PHY
PHY（Physical Layer）是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（Station Management Entity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过MIIM（MII Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。PHY的基本结构如下图：
PHY在发送数据的时候,收到MAC过来的数据(对PHY来说,没有帧的概念,对它来说,都是数据）然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去，收数据时的流程反之。
PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能，它可以检测到网络上是否有数据在传送,如果有数据在传送中就等待,一旦检测到网络空闲,再等待一个随机时间后将送数据出去.如果两个碰巧同时送出了数据,那样必将造成冲突,这时候冲突检测机构可以检测到冲突,然后各等待一个随机的时间重新发送数据。
PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器（随着芯片功能不断增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器），IEEE802.3定义了地址为0-15这16个寄存器的功能，地址16-31的寄存器留给芯片制造商自由定义。
MAC 和 PHY 芯片有配置接口，比如 MDIO 接口，可以配置 PHY 芯片的工作模式以及获取 PHY 芯 片的若干状态信息。PHY 芯片内部包含一系列寄存器，用户通过这些寄存器来配置 PHY 芯片的工作模式。以及获取 PHY 芯片的若干状态信息，如连接速率、双工模式、自协商状态等。
MDIO 接口也称为 SMI 接口（Serial Management Interface，串行管理接口），包括 ETH_MDC（数据管 理时钟）和 ETH_MDIO（数据管理输入输出）两条信号线。ETH_MDC 为 ETH_MDIO 提供时钟， ETH_MDC 的最大时钟不能超过 12.5Mhz。ETH_MDIO 为双向数据引脚，既用于发送数据，也用于接收数据。
1.5 MII/RMII/GMII/RGMII 接口
MII
MII（Media Independent interface）即介质无关接口，它是IEEE-802.3定义的行业标准，是MAC与PHY之间的接口。MII数据接口包含16个信号和2个管理接口信号，如下图所示：
信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| TX_CLK | 发送时钟 | PHY → MAC |
| TX_ER | 发送数据错误 | MAC → PHY |
| TX_EN | 发送使能 | MAC → PHY |
| TXD0 | 发送数据位0（最先传输） | MAC → PHY |
| TXD1 | 发送数据位1 | MAC → PHY |
| TXD2 | 发送数据位2 | MAC → PHY |
| TXD3 | 发送数据位3 | MAC → PHY |
| RX_CLK | 接收时钟 | PHY → MAC |
| RX_DV | 接收数据有效 | PHY → MAC |
| RX_ER | 接收数据错误 | PHY → MAC |
| RXD0 | 接收数据位0（最先传输） | PHY → MAC |
| RXD1 | 接收数据位1 | PHY → MAC |
| RXD2 | 接收数据位2 | PHY → MAC |
| RXD3 | 接收数据位3 | PHY → MAC |
| CRS | 载波监测 | PHY → MAC |
| COL | 冲突碰撞监测 | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
| MAC 通过MIIM 接口读取PHY 状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。也可以通过 MIIM设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。当时钟频率为2.5MHz时，对应速率为10Mb/s。MII接口虽然很灵活但由于信号线太多限制多接口网口的发展，后续又衍生出RMII，SMII等。 |
RMII
RMII(Reduced Media Independant Interface),精简MII接口，节省了一半的数据线。RMII收发使用2位数据进行传输，收发时钟均采用50MHz时钟源。信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| REF_CLK | 参考时钟 | MAC→PHY或由外部时钟源提供 |
| TX_EN | 发送数据使能 | MAC → PHY |
| TXD0 | 发送数据位0（最先传输） | MAC → PHY |
| TXD1 | 发送数据位1 | MAC → PHY |
| RX_ER | 接收错误 | PHY → MAC |
| RXD0 | 接收数据位0（最先传输） | PHY → MAC |
| RXD1 | 接收数据1 | PHY → MAC |
| CRS_DV | 载波和接收数据有效 | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
其中CRS_DV是MII中RX_DV和CRS两个信号的合并，当物理层接收到载波信号后CRS_DV变得有效，将数据发送给RXD。当载波信号消失后，CRS_DV会变为无效。在100M以太网速率中，MAC层每个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，在10M以太网速率中，MAC层每10个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，此时物理层接收的每个数据会在RXD[1:0]保留10个时钟。
SMII
SMII（Serial Media Independant Interface）,串行MII接口。它包括TXD,RXD,SYNC三个信号线，共用一个时钟信号，此时钟信号是125MHz,信号线与此时钟同步。信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| REF_CLK | 参考时钟 | 外部时钟源提供125MHz |
| TXD | 发送数据 | MAC → PHY |
| RXD | 接收数据 | PHY → MAC |
| SYNC | 同步信号 | - |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
SYNC是数据收发的同步信号，每10个时钟同步置高一次电平，表示同步。TXD和RXD上的数据和控制信息，以10bit为一组。发送部分波形如下：
从波形可以看出，SYNC变高后的10个时钟周期内，TXD依次输出一组10bit的数据即TX_ER,TX_EN,TXD[0:7]，这些控制信息和MII接口含义相同。在100M速率中，每一组的内容都是变换的，在10M速率中，每一组数据需要重复10次，采样任一一组都可以。
GMII
GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆MII接口。GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准，该接口定义见IEEE 802.3-2000。信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| GTX_CLK | 1000M发送时钟 | MAC → PHY |
| TX_CLK | 100/10M发送时钟 | MAC → PHY |
| TX_ER | 发送数据错误 | MAC → PHY |
| TX_EN | 发送使能 | MAC → PHY |
| TX_[7:0] | 发送数据8bit | MAC → PHY |
| RX_CLK | 接收时钟 | PHY → MAC |
| RX_DV | 接收数据有效 | PHY → MAC |
| RX_ER | 接收数据错误 | PHY → MAC |
| RX_[7:0] | 接收数据8bit | PHY → MAC |
| CRS | 载波监测 | PHY → MAC |
| COL | 冲突碰撞监测 | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
RGMII
RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简GMII接口。相对于GMII相比，RGMII具有如下特征：
发送/接收数据线由8条改为4条
TX_ER和TX_EN复用，通过TX_CTL传送
RX_ER与RX_DV复用，通过RX_CTL传送
1 Gbit/s速率下，时钟频率为125MHz
100 Mbit/s速率下，时钟频率为25MHz
10 Mbit/s速率下，时钟频率为2.5MHz
信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| TXC | 发送时钟 | MAC→PHY |
| TX_CTL | 发送数据控制 | MAC → PHY |
| TXD[3:0] | 发送数据4bit | MAC → PHY |
| RXC | 接收时钟 | PHY → MAC |
| RX_CTL | 接收数据控制 | PHY → MAC |
| RXD[3:0] | 接收数据4bit | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
虽然RGMII信号线减半，但TXC/RXC时钟仍为125Mhz，为了达到1000Mbit的传输速率，TXD/RXD信号线在时钟上升沿发送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在时钟下降沿发送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信号TX_CTL反应了TX_EN和TX_ER状态，即在TXC上升沿发送TX_EN,下降沿发送TX_ER，同样的道理试用于RX_CTL，下图为发送接收的时序：
